異步電動機單閉環(huán)晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

武漢理工大學(xué)《電力拖動與控制系統(tǒng)》課程設(shè)計說明書摘要電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)等。各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是電力拖動控制系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)。調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的方法一般有三種：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；減弱勵磁磁通Φ；改變電樞回路電阻R。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。用半控型器件晶閘管可以構(gòu)成輸出電壓大小可變的電源，可作為異步電動機變壓調(diào)速的可變電源，通過控制觸發(fā)角α，就可以實現(xiàn)變壓調(diào)速。同時，采用閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)靜特性相對開環(huán)系統(tǒng)來說有大大改善，并且使用比例積分調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。關(guān)鍵字：變壓調(diào)速閉環(huán)控制比例積分調(diào)節(jié)器目錄摘要 01轉(zhuǎn)速反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的原理 21.1異步電動機的調(diào)壓調(diào)速的機械特性 21.2轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性 31.3異步電動機的調(diào)壓調(diào)速主電路 32異步電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 62.1晶閘管交流調(diào)壓器元件的選擇 62.1.1晶閘管元件的額定電壓 62.1.2元件的額定電流(通態(tài)平均電流) 62.2晶閘管的保護環(huán)節(jié)的設(shè)計 72.2.1過電流保護 72.2.2過電壓保護 82.3控制電路的設(shè)計（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計） 102.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 102.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 10小結(jié)體會 12參考文獻 121轉(zhuǎn)速反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的原理1.1異步電動機的調(diào)壓調(diào)速的機械特性對于可調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類。所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動機作為電能—機械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對其進行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。交流異步電動機機械特性的參數(shù)表達式如下：變壓調(diào)速是異步電動機調(diào)速方法中的一種，由三相異步電動機機械特性參數(shù)表達式可知，當(dāng)異步電動機等效電路的參數(shù)不變時，在相同點的轉(zhuǎn)速下，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此，改變定子外加電壓就可以機械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動機在一定負載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。采用定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，就是在恒定交流電源與交流電動機之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，即改變定子電壓調(diào)速。如下圖畫出了定子電壓為、、()時的機械特性。TLTLa’b’c’U”1cabnmsSmTemaxU1>U1’>U1”通風(fēng)機負載特性圖1圖1-1異步電動機調(diào)壓調(diào)速的機械特性1.2轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性圖1-2轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)壓調(diào)速靜特性交流異步電動機電機應(yīng)用調(diào)壓調(diào)速可以獲得良好的調(diào)速性能，保持電源頻率為額定頻率，只改變定子電壓的調(diào)速方法稱作調(diào)壓調(diào)速。過去改變交流電壓的方法多用自耦變壓器或帶直流磁化繞組的飽和電抗器，自從電力電子技術(shù)興起以后，這類比較笨重的電磁裝置就被晶閘管交流調(diào)壓器取代了。晶閘管交流調(diào)壓器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，用相位控制改變輸出電壓。這個原理同直流電機調(diào)壓調(diào)速類似，只是交流調(diào)壓調(diào)速只能是降壓調(diào)速。直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中，要調(diào)節(jié)電樞電壓，調(diào)節(jié)電樞供電電壓首先要解決的是可控電源?？刹捎每煽鼐чl管組成整流器的晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)。過去采用通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓圖1-2轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)壓調(diào)速靜特性采用普通異步電動機降壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄；采用高轉(zhuǎn)子電阻電動機可以增大調(diào)速范圍，但機械特性又變軟，開環(huán)控制很難解決這個矛盾。為此，如果要求帶恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)壓系統(tǒng)具有較大的調(diào)速范圍時，往往需要采用帶轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。異步電動機閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同于直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)之處為：靜特性兩邊都有極限，它們是額定電壓UaN下的機械特性和最小輸出電壓Usmin下的機械特性。如右圖1所示，圖中的UaN和Usmin為系統(tǒng)的開環(huán)機械特性，而Un1*、Un2*、Un3*為系統(tǒng)的閉環(huán)靜特性。由圖可以看出，系統(tǒng)的閉環(huán)靜特性為平行的直線，就實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)無靜差的要求。當(dāng)負載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限的開環(huán)特性變化。1.3異步電動機的調(diào)壓調(diào)速主電路交流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)變壓調(diào)速是一種典型的轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)。圖1-3為交流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)變壓調(diào)速的電路。圖1-3交流電機轉(zhuǎn)速單閉環(huán)變壓調(diào)速電路變壓調(diào)速是交流電機調(diào)速方法中比較簡便的一種。目前，交流調(diào)壓器一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，主電路接法有多種方案，用相位控制改變輸出電壓。

圖1-4Y形連接圖1-5△形連接調(diào)壓電路以晶閘管為開關(guān)信號，采用晶閘管交流調(diào)壓器（TVC）,圖1-6為TVC硬件電路，圖1-7為TVC的變壓控制方式。圖1-6晶閘管交流調(diào)壓器硬件電路（a）相位控制（b）周期控制電壓在零點時同步導(dǎo)通圖1-7TVC的變壓控制方式2異步電動機閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計2.1晶閘管交流調(diào)壓器元件的選擇正確地選擇晶閘管，能夠使變流裝置在保證可靠運行的前提下降低成本。主要是合理地選擇元件的額定電壓和額定電流(通態(tài)平均電流)。其元件的選擇與以下各因素有關(guān)：負載性質(zhì)(電阻或電感)，整流電壓平均值和整流電流平均值，整流電路形式，控制角的大小等。由于實際使用時各因素的差異很大，因此對電流有效值進行精確計算就比較復(fù)雜。為了使計算簡化，我們均以控制角＝0選擇品閘管的電流定額。也就是說，晶閘管可以按照相同的方法確定它們的額定電壓和額定電流。2.1.1晶閘管元件的額定電壓如果元件實際承受到的最大峰值電壓為，則應(yīng)選擇元件的額定電壓UTe=式中系數(shù)(2—3)是考慮到元件的發(fā)熱、環(huán)境溫度升高、操作過電壓等因素的影響而留的安全裕量。2.1.2元件的額定電流(通態(tài)平均電流)在額定情況下流過元件的電流有效值和額定電流的關(guān)系為I由于晶間管的過載能力比一般電磁元件小，為不使元件因過熱而損壞，在實際計算中要考慮(1.5-2)倍的安全系數(shù)。另外如果通過元件的電流波形不同，其有效值與平均值的比值也不同。若負載電流為，根據(jù)熱量等效原則可寫出1.57I則元件的額定電流I =(1.5-2)式中—波形系數(shù)；—整流元件的支路數(shù)，如單相橋＝2，三相橋＝3；—負載電流；—計算系數(shù)。根據(jù)本次設(shè)計要求，為留有裕量，我們選擇晶閘管的額壓為1140V，額流為20A。2.2晶閘管的保護環(huán)節(jié)的設(shè)計2.2.1過電流保護過電流是晶閘管電路經(jīng)常發(fā)生的故障，是造成器件損壞的主要原因之一，因此，過電流應(yīng)當(dāng)首先考慮。由于晶閘管承受過電流能力比一般電器差的多，故必須在極短的時間將電源斷開或把電流值降下來。在設(shè)計中可采用快速熔斷器保護、電子線路控制的過電流保護以及過電流繼電器保護。采用快速熔斷器保護是最簡單有效的過流保護器件，具有快速熔斷的特性，在通常的發(fā)生短路中后，能快速熔斷能保證在晶閘管損壞之前熔斷自身而斷開故障點，避免過電流燒壞管子。如圖所示的接法對交流、直流側(cè)過電流時均起作用，圖2-1過電流保護原理圖2.2.2過電壓保護晶閘管設(shè)備在運行過程中，會受到由交流供電電網(wǎng)進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時，設(shè)備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現(xiàn)。它所承受的最大峰值電壓與電源電壓、電路接線形式有關(guān)，它是選擇晶閘管額定電壓的依據(jù)。在工作中，由于各種原因可能出現(xiàn)晶閘管所承受的電壓超過最大峰值電壓的短時過電壓的情況。如正相過電壓超過了正相轉(zhuǎn)折電壓，將產(chǎn)生誤導(dǎo)通。如果反向過電壓超過反向重復(fù)峰值電壓，則晶閘管被擊穿，造成永久性的損壞，為使晶閘管元件能正常工作，必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。引起過電壓的原因：操作過電壓，在晶閘管變流裝置拉閘、合閘、快速開關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中電磁過程引起的過電壓。浪涌過電壓，由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進入變流裝置的過電壓，其幅值可能比操作過電壓高得多。晶閘管關(guān)斷過電壓，晶閘管關(guān)斷時，在反向陽極電壓作用下，電流下降至零，由于內(nèi)部載流子的復(fù)位將形成一個反向電流，并迅速衰減至零，此時很大的di/dt將在線路電感上引起很大的反電動勢，作用在晶閘管上可能使晶閘管擊穿。過電壓保護的原則是：根據(jù)過電壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達到一定的過電壓值時，自動開通附加電路，使過電壓通過附加電路形成通路，消耗過電壓儲存的電磁能量，從而使過電壓的能量不會加到主開關(guān)元件上，從而達到保護的目的。下面分析常用的保護方式。過電壓保護的主要目的是設(shè)法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內(nèi)。抑制過電壓的方法主要有三種：用非線件元件限制過電壓的幅度；用電阻消耗產(chǎn)生過電壓的能量；用儲能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。實用中常根據(jù)需要在電路的不同部位選用不同的方法，或者在同一部位同時用兩種保護方法。過電壓保護的常見方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用壓敏電阻或硒堆等非線性元件加以抑制。原理圖如圖2-2。圖2-2過電壓保護原理圖2.3控制電路的設(shè)計（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計）2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計要求δn≤5%，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，為實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中K——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算（1）確定時間常數(shù) 1）晶閘管調(diào)相裝置平均滯后時間為Ts2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn（2）計算調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)設(shè)計要求δn≤5%，查表可得KNTn=0.5, KN=0.5T于是，ASR的比例系數(shù)為K（3）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：ωcn小時間常數(shù)近似條件：ωcn現(xiàn)在131（4）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-3UiUi*RdnCdnR5R4-+ConConUn*R0/2R0/2R0/2R0/2RnR3Cn圖2-3帶給定濾波和反饋濾波的PI調(diào)節(jié)器取，各電阻和電容值計算如下：Rn=CC小結(jié)體會這次做電力拖動的課程設(shè)計，我感覺自己一開始不夠認真，把任務(wù)書沒看清楚就開始動手做?？赡苁且驗槲覀兩险n講的直流電動機的調(diào)壓調(diào)速比較多，我對于直流電動機的調(diào)速也比較熟悉。后來才發(fā)現(xiàn)我要做的是交流異步電動機的調(diào)壓調(diào)速。而直流電動機和交流異步電機的結(jié)構(gòu)明顯不同，在調(diào)速方面，交流異步電機明顯要復(fù)雜一些。因為交流電機要考慮電壓、頻率、氣隙磁通等方面的問題。而且設(shè)計要求的超調(diào)量也不能按照典Ⅱ系統(tǒng)來設(shè)計調(diào)節(jié)器，我感覺一下子走進了死胡同，不過我翻看了課本，在只采用調(diào)壓調(diào)速并且基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機的調(diào)速同直流電機的調(diào)壓調(diào)速基本上沒設(shè)么差別。所以，我按照直流電機的調(diào)壓調(diào)速思想，結(jié)合了很多交流電機雙閉環(huán)的資料來做這個課程設(shè)計。雖然不知道結(jié)果是不是完全正確，但是至少自己